MBD模式下的飛機結構零件工藝設計研究

李永毅，楚王偉，王曉剛

LI Yong-yi1，CHU Wang-wei1，WANG Xiao-gang2

（1.中航工業成飛結構件廠，成都 610091；2.中國人民解放軍駐成飛公司軍事代表室，成都 610091）

0 引言

隨著飛機新研項目更迭速率的加快，項目研制周期日益縮短，如何在短期內高效高質量的完成工藝設計成為了零件加工車間研究的課題。當前三維數字化設計技術和數字化樣機技術隨著航空制造業數字化技術的迅猛發展得到了深入應用。同時，隨著計算機和數控加工技術的發展，傳統以模擬量傳遞的實物標工協調法被數字量傳遞為基礎的數字化協調法代替，縮短了新機研制周期，提高了產品質量[1,2]。但是，在當前我國的三維數字化技術并未完全成熟，MBD模式下的飛機結構零件工藝設計依然是航空制造業亟待解決的課題，而隨著裝備技術的快速發展，工藝設計已經成為飛機制造新的瓶頸。

本文在簡要介紹MBD以及零件工藝設計的基礎上，結合飛機中小結構零件特點，論述了MBD模式下的工藝設計流程及具體方法實施，并在新機項目研制進程中取得了實效。

1 MBD模式下工藝設計概述

1.1 MBD的內涵

MBD(Model Based Definition)，即基于模型的工程定義，是一個用集成的三維實體模型來完整表達產品定義信息的方法體[3]。MBD數據涵蓋了產品后續加工、裝配、檢測等環節的所有幾何信息與非幾何信息，其包含的內容主要由以下元素構成：相關設計基準數據、實體模型、毛坯、零件坐標系統、三維標注、工程注釋、材料信息、標注集以及其他定義數據。其內容構成如圖1所示。MBD使三維實體模型作為生產制造過程中的唯一依據，改變了傳統以工程圖紙為主，而以三維實體模型為輔的制造方法。MBD在2003年被ASME批準為機械產品工程模型的定義標準，是以三維實體模型作為唯一制造依據的標準體[4]。MBD技術的目標是規范產品數字化定義的信息，實現產品數字化定義信息的完整性和準確性，其核心和基礎是產品的數字化定義技術，即用三維數字化定義工具（CAD系統平臺）定義出能夠為下游各應用環節所使用的準確、完善、規范和有效地產品信息。因此，MBD技術是實現數字化產品定義的手段，也是實現產品研制體系轉變的技術基礎[5]。

圖1 MBD數據集的組成元素

1.2 工藝設計

工藝設計是指工藝人員在產品設計的基礎上，從參加新產品的設計、工藝調研開始，經過產品結構工藝性審查和工藝設計，直至完成工藝驗證、總結與整頓等一系列的工藝工作。工藝設計的質量與效率不僅直接影響產品質量，而且對生產組織、生產效率、制造成本和生產技術準備周期等都有直接影響，是生產技術準備工作的重要階段，也是工藝管理工作的中心環節。

在設計資料以二維圖紙為主的傳統工藝設計流程中，產品設計、工藝審查、方案設計、工藝資料編制及試制一直以串行模式展開，項目研制周期長，且以常規機加占主導地位。隨著MBD技術的成熟，傳統工藝設計流程也隨之發生巨大變革，工藝設計流程由傳統的串行模式向并行模式轉變（如圖2所示），工藝審查與產品設計在進程上融為一體，方案設計在工藝審查階段即可進行，同時由于設計資料的三維化，工藝資料編制時間大幅減少，大大縮短項目研制周期，并且數控機加逐漸占據主導地位，提高了項目產品質量，降低了項目研制成本。對比傳統工藝設計及MBD模式下的工藝設計（如表1所示），能明顯看出MBD模式下工藝設計具有更快的反應能力，對于項目研制具有更好的促進作用。

圖2 工藝設計流程示意圖

表1 工藝設計模式比較

2 MBD模式下的工藝設計流程

MBD技術的應用對飛機產品的數據管理、信息傳遞、工藝規劃、工藝文件編制與仿真、零部件制造都提出了全新的要求。以前需要三維數模和二維圖紙同時表達的各種信息，現在全部集中到MBD數據集中，各部門獲得信息的來源只有MBD數據集。在MBD數據集中獲取零件信息對制造、裝配的各個環節中至關重要。工藝人員在工藝設計規范的指導下，直接依據三維實體模型開展工藝開發工作，改變了以往同時依據二維工程圖紙和三維實體模型來設計產品裝配工藝和零件加工工藝的做法，縮短了項目研制周期，提高了產品質量。圖3是MBD模式下的飛機零件工藝設計流程。

從零件工藝設計流程可以看出，在初期工藝審查，項目總體規劃，到具體零件工藝方案制定，工藝規程、NC程序編制及仿真，直至現場加工以及資料歸零，MBD技術始終貫穿于零件工藝設計的整個流程。由于MBD技術的引入，流程各階段存在較多的交叉并行作業，在產品設計成熟度M3階段，工藝人員通過VPM平臺參與工藝審查，就產品數模問題與設計進行溝通，在產品數模正式發布前完成審查；在零件工藝方案制定完成后，即可啟動三表兩單編制以及工藝規程編制，同時根據工藝規程要求并行啟動生產資源配置及生產排程，有效提高新機項目的推進速度。

圖3 MBD模式下的飛機零件工藝設計流程

3 MBD模式下的工藝設計方法實施

MBD模式下技術的產品制造以MBD零件模型作為制造唯一依據，使產品的工藝設計活動發生了根本的變化：工藝設計與仿真將在三維數字化環境中進行。一般的，從原材料到成品零件的工藝過程包括加工、成形、改性、檢驗等多種類型工序，共同組成工藝鏈[6]。工藝設計貫穿于產品工藝鏈的整個活動流程中，工藝設計的質量及進度影響到整個項目的研制質量與進度。下文將以項目研制為載體，詳細闡述MBD模式下的工藝設計方法實施。

3.1 基于成熟度的項目工藝審查

當新項目設計數模進入成熟度M3階段[7]（即設計MBD模型進入校對階段）時，工藝人員通過VPM平臺參與到數模設計環節進行工藝審查，主要針對零件三維數模結構、工藝性、材料信息、特種信息、附注信息等進行審查，確定零件的可加工性。當產品數模不利于加工工藝或者存在明顯設計缺陷時，工藝人員可直接與設計溝通，圍繞零件工藝性、結構符合性、設計初始意圖進行討論，在滿足設計要求的同時，盡量使產品利于機械加工與檢測。基于VPM平臺的工藝審查界面如圖4所示。

圖4 基于VPM平臺的工藝審查界面

MBD模式下的三維設計數模，具有更強的表現力，能夠更真實地表現設計制造特征，更好、更準確地表達設計意圖，也容易進行工程信息的抽取和知識的挖掘。因此在工藝審查階段，借用VPM平臺，可輕松在MBD三維數模中確定零件特征（如圖5所示）為后續工藝設計做準備。在分析零件特征基礎上，對零件附注信息、材料信息、特種信息等通過三維數模結構樹可清晰的明確知悉，如圖6所示。通過項目工藝審查，使工藝部門初步明確項目研制情況，以便盡早進入項目工藝設計階段。

圖5 零件特征信息

3.2 車間級項目方案制定及實施

新研項目正式研制階段，需要由項目技術管理團隊制定項目研制方案，確定項目總體目標，明確項目任務情況及任務難點，從技術創新、進度控制、質量控制、成本控制方面入手，對項目研制提出具體要求。

以某民機項目研制為例，在項目正式研制階段，項目技術管理團隊負責召開項目工藝技術準備工作會，明確項目任務情況，從零件項數、零件結構、零件材料、典型零件簡介等方面對項目進行介紹。同時建立專業化團隊（如表2所示），針對技術創新、進度、質量、成本控制方面，由專業化團隊成員各司其職。在技術創新方面，主要針對機床應用、工藝凸臺設計、工藝方案設計、通用工裝應用等方面開展工作；在進度控制方面，落實工藝分工，制定階段任務節點，確保項目節點目標；在質量控制方面，落實工藝總方案，控制工藝源頭質量，同時各職能部門各司其職控制技術狀態；在成本控制方面，通過應用新技術提高數控加工能力，降低常規加工成本，規范刀具應用，提高刀具使用效率，同時大量采用套裁方案提高材料利用率。

表2 項目專業化團隊分工

在制定項目總體研制方式的同時，需要將項目零件按照零件族分類標準分為框、梁、接頭、肋、型材、角盒等不同類型，同時將難加工材料如鈦合金零件單獨進行分類。在完成零件族分類后，按照專業化團隊的理念將同類型零件分工給擅長的工藝團隊，同時按照數控機床選用原則確定零件加工機床，使車間生產資源達到有效利用。

3.3 詳細工藝方案設計及工藝資料編制與仿真

在零件方案設計階段，由方案設計團隊成員根據零件制造工藝方案設計指導原則及工藝凸臺設計規范針對項目典型零件設計工藝方案，包括帶凸臺工藝數模，零件具體加工流程，特殊刀量具需求等方面內容。待工藝方案評審后正式啟動零件工藝資料編制，包括基于CAPP、PDM系統的訂貨單、工藝規程等工藝資料的編制與審簽，以及基于UG/CATIA的NC編制，基于CGTech VERICUT的NC仿真。在工藝資料編制過程中，工藝部門編制了各類規范標準，諸如零件工藝規程編制規范、工藝草圖繪制規范、鋁合金程編規范等，規范標準的引入，使得工藝人員在工藝資料編制時有章可循，使工藝設計工作規范化、模式化。

MBD數據集包含的相關設計基準數據、零部件坐標系、實體模型、毛坯、標注集、附注集及其他信息對工藝方案設計以及工藝資料編制有重要的作用。設計基準即零件基準面及裝配所需的工藝孔、協調孔等設計特征，這些設計特征需要在工藝方案設計及加工工序安排時用最可靠的手段進行保證，也在一定程度上限制了零件方案及加工流程。毛坯信息包括零件加工的毛坯尺寸及材料信息，在方案設計階段確定后可以用于材料的先期準備，已達到工藝設計與生產準備并行。標注集中包含的零件形位公差、重要尺寸等設計特征也同樣限制了零件加工流程。附注集中包含的零件熱表處理信息、特種檢查信息、標記信息等定義了零件機加后的工序流程。總之，MBD數據集中包含的數據信息對方案設計提出了要求，同時也規范了工藝規程的編制及工藝流程的安排。

3.4 零件資料歸零

待現場試制完成后，需要對零件制造過程中所有工藝資料歸零，包括設計MBD模型、工藝MBD模型、NC程序、工藝規程、工序說明書、VT仿真模型、測量工藝規劃等，歸零數據形成如圖7所示的壓縮文件包。

圖7 數控加工零件歸零數據集

3.5 項目技術狀態控制

在新項目研制過程中，技術狀態控制尤為重要。一方面需要將現場試制合格的工藝資料歸零，同時新項目工程更改較為頻繁，需要嚴格控制工程更改的執行情況，避免技術狀態失控。MBD模型在設計部門采用構型批次管理，即不同狀態的零件構型模型對應不同的批架次，每份工程更改對應一項MBD零件模型。零件加工車間即根據數模版本與工程更改進行對應，獲得相應架次的零件數模信息。圖8所示的工程更改下的零件制造模型表示出了MBD模型、工程更改、數模版本及有效架次的關系。

圖8 工程更改下的零件制造模型

根據圖8所示的工程更改下的零件制造模型構建可以看出，節點數據（對應零件制造過程中某個狀態的MBD零件模型）具有很強的時效性，前一節點通常是后一節點的輸入，將制造模型按照時序關系組織成制造模型樹，每個樹節點對應一個MBD零件模型，每個MBD零件模型對應相應的工程更改及對應版本的數模，根據有效架次的管理，不同版本數模應用于后續不同架次的零件生產。通過制造模型樹的建立，便于對制造狀態所包含的各種數據進行管理，在工藝設計階段根據不同狀態的MBD模型建立對應批架次的工藝規程、NC等工藝設計資料，在生產制造階段同樣基于批架次進行工藝資料發放并指導生產。基于此模型樹可有效解決零件制造過程中不同有效架次的工藝設計及生產制造的需要。

3.6 項目成效

通過MBD技術在新機項目研制中的應用，提高了項目工藝設計效率及質量，同時提升了整個項目的技術管理水平。以C919項目工藝設計為例，整個項目根據PBOM分工有697項零組件，通過MBD技術的應用，整個項目在4個月內完成了工藝設計工作。在工藝設計效率方面，項目工藝設計時間較之前項目相比提升了30%；在工藝設計質量方面，各類工藝規范的建立，使工藝工作規范化、模式化，提高了項目質量，在項目試制過程中因工藝原因造成的質量問題下降了近40%；在項目技術管理方面，MBD模型的電子數據作為唯一依據，簡化了管理幅度，特別在項目技術狀態控制方面，以構型批次管理的工程更改更加利于管理；在技術提升方面，在項目開展過程中，對工藝規范進行了實際運用，將工藝規范不合理的要求進行了更改，使規范標準趨于實用化。

4 結束語

MBD技術使三維實體模型成為制造過程中的唯一依據，通過三維數字化協調建模、三維工藝仿真設計與三維數字化工藝現場應用，真正實現了無圖紙三維設計制造技術。但是MBD模式下的工藝設計作為一項新興技術，在發展過程中仍有大量問題需要解決。首先，在設計/工藝協同方面，國內航空工業普遍存在著廠所分離的情況，設計、工藝分屬不同的單位，交流和溝通存在天然的屏障，設計、工藝之間無法充分溝通。其次，MBD標準不統一，各機型項目各自制定自己的MBD標準，給下游制造廠的工藝設計帶來較大困難[8]。再次，零件制造車間長期處于傳統的工藝設計模式中，對于MBD技術的認識與熟悉程度仍然不夠，現場生產時一直存在三維與二維轉化的問題。當然，隨著MBD的技術成熟，設計工藝化，工藝設計化的實現，零件車間工藝設計工作也必將隨之發生變化，諸如三維CAPP的應用，無紙化工程的開展，在線測量的普遍應用，企業知識工程的開發應用等都將逐步實現。

[1]周秋忠,范玉青.MBD技術在飛機制造中的應用[J].航空維修與工程,2008,3.

[2]梅中義.基于MBD的飛機數字化裝配技術[J].航空制造技術,2010(18).

[3]張榮霞,張樹生,等.MBD模式下的零件制造模型管理[J].制造業自動化,2011,33(8)下.

[4]馮廷廷.MBD模式下的飛機裝配工藝與仿真[D].南京航空航天大學,2011.

[5]范玉青.現代飛機制造技術[M].北京：北京航空航天大學出版社,2001.

[6]劉闖,王俊彪,盧元杰,等.面向工藝鏈的零件制造模型框架研究[J].計算機集成制造系統,2009,15(6).

[7]陶劍,范玉青.成熟度在飛機研制一體化流程中的應用[J].北京航空航天大學學報,2006,32(9).

[8]馮潼能,王錚陽,孟靜暉.MBD技術在數字化協同制造中的應用與展望[J].南京航空航天大學學報,2012,44(4)增刊.